1、第6章 線粒體和葉綠體,講授內(nèi)容： 線粒體與氧化磷酸化 葉綠體與光合作用 線粒體和葉綠體的半自主性及其起源,第一節(jié) 線粒體與氧化磷酸化,一、線粒體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征 （一）線粒體的形態(tài)、分布及數(shù)目 呈顆?；蚨叹€狀，直徑為0.31.0 m，長度為1.53.0 m； 分布與細(xì)胞內(nèi)的能量需求密切相關(guān)； 線粒體的數(shù)目同樣呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化并接受調(diào)控與細(xì)胞類型相關(guān)，隨著細(xì)胞分化而變化。,（二）線粒體的融合與分裂 動(dòng)、植物細(xì)胞中均可觀察到頻繁的線粒體融合與分裂現(xiàn)象，這被認(rèn)為是線粒體形態(tài)調(diào)控的基本方式，也是線粒體數(shù)目調(diào)控的基礎(chǔ)。,1線粒體融合與分裂的分子生物學(xué)基礎(chǔ) 果蠅調(diào)控線粒體融合 基因Fzo 線粒體融合素（

2、mitofusin）,（三）線粒體融合與分裂的分子及細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ),線粒體分裂需要發(fā)動(dòng)蛋白（dynamin）,線粒體分裂環(huán)（mitochondrial division ring）； 線粒體分裂過程的三個(gè)階段： 早期 中期 后期,2.線粒體融合與分裂的細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ),二、線粒體的超微結(jié)構(gòu),包括外膜、膜間隙、內(nèi)膜、基質(zhì),（一）外膜 單位膜結(jié)構(gòu)，厚約6 nm。外膜中蛋白質(zhì)和脂質(zhì)約各占50% 孔蛋白（porin）構(gòu)成的桶狀通道，直徑為23 nm，可以通過相對分子質(zhì)量高達(dá)5103 的分子，可根據(jù)細(xì)胞的狀態(tài)可逆性地開閉。ATP、NAD、輔酶A 等相對分子質(zhì)量小于1103 的物質(zhì)均可自由通過外膜。 由于外

3、膜的通透性很高，膜間隙中的離子環(huán)境幾乎與胞質(zhì)相同。 外膜上還分布有一些特殊的酶類，如參與腎上腺素氧化、色氨酸降解、脂肪酸鏈延長的酶等，表明外膜不僅參與膜磷脂的合成，還可對將在線粒體基質(zhì)中徹底氧化的物質(zhì)進(jìn)行先行初步分解。 外膜的標(biāo)志酶是單胺氧化酶（monoamine oxidase）。,（二）內(nèi)膜 單位膜結(jié)構(gòu)， 厚68 nm。 內(nèi)膜的不透性（impermeability）-有很高的蛋白質(zhì)/ 脂質(zhì)比（質(zhì)量比31），缺乏膽固醇，富含心磷脂。從而限制了所有分子和離子的自由通過； 線粒體內(nèi)膜是氧化磷酸化的關(guān)鍵場所，內(nèi)膜向內(nèi)延伸形成嵴，大大增加了內(nèi)膜的表面積。其形狀、數(shù)量和排列與細(xì)胞種類及生理狀況密切相關(guān)

4、； 嵴上存在許多規(guī)則排列的顆粒，稱為線粒體基粒（elementary particle），即ATP 合酶（ATP synthase） 內(nèi)膜的標(biāo)志酶是細(xì)胞色素氧化酶。,（三）膜間隙 寬約68 nm。 膜間隙內(nèi)的液態(tài)介質(zhì)含有可溶性的酶、底物和輔助因子。 腺苷酸激酶是膜間隙的標(biāo)志酶，可催化ATP 分子末端磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到AMP生成ADP。,（四）線粒體基質(zhì) 富含可溶性蛋白質(zhì)的膠狀物質(zhì)，具有特定的pH 和滲透壓。 催化線粒體重要生化反應(yīng)，如三羧酸循環(huán)、脂肪酸氧化、氨基酸降解等 還含有DNA、RNA、核糖體以及轉(zhuǎn)錄、翻譯所必需的重要分子。,三、氧化磷酸化 （一）ATP合酶 ATP 合酶的分子由球形的頭部（

5、F1）和基部（F0）組成，頭部朝向線粒體基質(zhì)，規(guī)則性地排布在內(nèi)膜下并以基部與內(nèi)膜相連。,ATP 合酶的頭部被稱為偶聯(lián)因子1（coupling factor 1，F(xiàn)1），由5種類型的9個(gè)亞基組成，組分為33。 在空間上，3個(gè)亞基和3個(gè)亞基交替排列，形成一個(gè)“橘瓣”狀結(jié)構(gòu),其中和亞基具有核苷酸結(jié)合位點(diǎn)，但只有亞基的結(jié)合位點(diǎn)具有催化ATP合成或水解的活性。 F1的功能是催化ATP合成，在缺乏質(zhì)子梯度情況下則呈現(xiàn)水解ATP的活性。 亞基的一個(gè)結(jié)構(gòu)域構(gòu)成穿過F1的中央軸，另一結(jié)構(gòu)域與3 個(gè)亞基中的一個(gè)結(jié)合。 亞基協(xié)助亞基附著到ATP合酶的基部結(jié)構(gòu)F0上。 與亞基具有很強(qiáng)的親和力，結(jié)合形成“轉(zhuǎn)子”(rot

6、or），旋轉(zhuǎn)于33的中央，調(diào)節(jié)3個(gè)亞基催化位點(diǎn)的開放和關(guān)閉。 亞基為F1和F0相連接所必需的。,ATP 合酶的基部結(jié)構(gòu)被稱作F0，是偶聯(lián)因子0 （coupling factor 0）的簡稱。與親水性的F1 相比，F(xiàn)0 是一個(gè)疏水性的蛋白復(fù)合體，嵌合于線粒體內(nèi)膜，由a、b、c 3種亞基按照ab2c1012 的比例組成跨膜的質(zhì)子通道。 多拷貝的c 亞基形成一個(gè)環(huán)狀結(jié)構(gòu)。 a 亞基和b 亞基形成的二聚體排列在c 亞基12 聚體形成的環(huán)的外側(cè)。 同時(shí)，a 亞基、b 亞基及F1 的亞基共同組成“定子”（stator），也稱外周柄。, 質(zhì)子梯度的作用并不是生成ATP，而是使ATP 從酶分子上解脫下來。 A

7、TP 合酶上的3 個(gè) 的構(gòu)象不同,在任一時(shí)刻，3 個(gè) 催化亞基以3 種不同的構(gòu)象存在，從而使它們對核苷酸具有不同的親和性; ATP 通過旋轉(zhuǎn)催化（rotational catalysis）而生成。 在此過程中，通過F0“通道”的質(zhì)子流引起c 亞基環(huán)和附著于其上的 亞基縱軸（中央軸）在3 3 的中央進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。 旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力來自于 F0 質(zhì)子通道中的質(zhì)子跨膜運(yùn)動(dòng)。,（二）質(zhì)子驅(qū)動(dòng)力 基質(zhì)中的質(zhì)子則借助高能電子釋放的能量被不斷地定向轉(zhuǎn)運(yùn)到膜間隙。,（三）電子傳遞鏈 由電子載體組成的電子傳遞序列被稱為電子傳遞鏈（electron transport chain），也稱作呼吸鏈（respiratory c

8、hain）。,ATP形成機(jī)制氧化磷酸化,（四）電子傳遞復(fù)合物 1. 復(fù)合物即NADH-CoQ 還原酶， 又稱NADH 脫氫酶。 2.復(fù)合物即琥珀酸-CoQ 還原酶，又稱琥珀酸脫氫酶。 3.復(fù)合物復(fù)合物 即CoQ-Cyt c 還原酶，又稱細(xì)胞色素還原酶或Cyt bc1 復(fù)合物（簡稱bc1）。 4.復(fù)合物即細(xì)胞色素氧化酶，又稱Cyt c 氧化酶。,四、線粒體與疾病 在醫(yī)學(xué)上，由線粒體功能障礙引起的疾病被稱為線粒體?。╩itochondrial disease）。 已知的人類線粒體病有100 多種，常見的有腦壞死、心肌病、腫瘤、不育、帕金森綜合征等。 克山?。籐eigh 綜合征；氧自由基的過度積累；

9、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣為利用的細(xì)胞質(zhì)雄性不育 。,第二節(jié) 葉綠體與光合作用,（一）葉綠體的形態(tài)、分布及數(shù)目 在高等植物的葉肉細(xì)胞中，葉綠體呈凸透鏡或鐵餅狀，直徑為510 m，厚24 m。 分布在細(xì)胞質(zhì)膜與液泡間薄層的細(xì)胞質(zhì)中，呈平層排列。 通常情況下，高等植物的葉肉細(xì)胞含20200 個(gè)葉綠體。,一、葉綠體的基本形態(tài)及動(dòng)態(tài)特征,葉綠體通過位移避開強(qiáng)光的行為稱為躲避響應(yīng)（avoidance response）； 在光照較弱的情況下，葉綠體會(huì)匯集到細(xì)胞的受光面，這種行為稱作積聚響應(yīng)（accumulation response）。,（二）葉綠體的分化和去分化 葉綠體是原質(zhì)體的一種分化方式； 葉綠體的分化表現(xiàn)為形

10、態(tài)上和在生化與分子生物學(xué)上； 在特定情況下，葉綠體的分化是可逆的，葉綠體可去分化再次形成原質(zhì)體。,（三）葉綠體的分裂 質(zhì)體和葉綠體通過分裂而實(shí)現(xiàn)增殖。 葉綠體的分裂與線粒體分裂具有相同的細(xì)胞動(dòng)力學(xué)機(jī)制。,ARC5蛋白在葉綠體表面開始縊陷時(shí)組裝成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)于縊陷處，推動(dòng)葉綠體膜深度縊陷及分?jǐn)唷?二、葉綠體的超微結(jié)構(gòu),擬南芥幼葉中的葉綠體,水稻幼芒的葉綠體,（一）葉綠體膜 外膜、內(nèi)膜和膜間隙構(gòu)成； 外膜通透性大，含有孔蛋白，允許相對分子質(zhì)量高達(dá)104 的分子通過；而內(nèi)膜則通透性較低，僅允許O2、CO2 和H2O 分子自由通過。 葉綠體內(nèi)膜上有很多轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)較大分子。,（二）類囊體 葉

11、綠體內(nèi)部由內(nèi)膜衍生而來的封閉的扁平膜囊，稱 類囊體。類囊體囊內(nèi)的空間稱為類囊體腔（thylakoid umen）； 在葉綠體中，許多圓餅狀的類囊體有序疊置成基粒（grana）。 基粒膜囊系統(tǒng)獨(dú)立于基質(zhì)，在電化學(xué)梯度的建立和ATP 的合成中起重要作用。 囊體膜富含具有半乳糖的糖脂和極少的磷脂。糖脂中的脂肪酸若是不飽和的亞麻酸脂雙分子層流動(dòng)性非常大，有益于光合作用過程中類囊體膜上的PS、Cyt b6f 復(fù)合物、PS及CF0-CF1 ATP 合酶復(fù)合物在膜上的側(cè)向移動(dòng)。,（三）葉綠體基質(zhì) 葉綠體內(nèi)膜與類囊體之間的液態(tài)膠體物質(zhì)，稱為葉綠體基質(zhì)?；|(zhì)的主要成分是可溶性蛋白質(zhì)和其他代謝活躍物質(zhì)，其中豐度最

12、高的蛋白質(zhì)為核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶 / 加氧酶(ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/oxygenase，簡稱Rubisco)。 Rubisco 是光合作用中的一個(gè)重要的酶系統(tǒng)，亦是自然界含量最豐富的蛋白質(zhì)。 基質(zhì)中還存在葉綠體DNA、核糖體、脂滴、植物鐵蛋白和淀粉粒等物質(zhì)。,三、光合作用 （一）原初反應(yīng) 1.光合色素 2.光化學(xué)反應(yīng) 光化學(xué)反應(yīng)是指反應(yīng)中心色素分子吸收光能而引發(fā)的氧化還原反應(yīng)。,（二）電子傳遞和光合磷酸化 1.電子傳遞 光合電子傳遞鏈（photosynthetic electron transfer chain）由一系列的電子載體構(gòu)成

13、。,（1）PSII的結(jié)構(gòu)與功能 PS由反應(yīng)中心復(fù)合物和PS捕光復(fù)合物（LHC）組成。其功能是利用光能在類囊體膜腔面一側(cè)裂解水并在基質(zhì)側(cè)還原質(zhì)體醌，使類囊體膜的兩側(cè)形成質(zhì)子梯度。,（2）Cytb6f復(fù)合物的結(jié)構(gòu)與功能 Cyt b6f 復(fù)合物含有一個(gè)Cyt b6、一個(gè)Fe-S 和一個(gè)Cyt f (c 型細(xì)胞色素)，在電子傳遞過程中，Cyt b6f 復(fù)合物在PS和PS之間承擔(dān)重要的聯(lián)系； Cyt b6f 復(fù)合物將電子從雙電子載體PQB 轉(zhuǎn)運(yùn)到單電子載體PC，形成一個(gè)Q 循環(huán)。在這個(gè)循環(huán)中，電子從PQBH2 一次一個(gè)地傳遞到PC，引起H+ 的跨膜轉(zhuǎn)移。,（3）PSI的結(jié)構(gòu)與功能 PS由反應(yīng)中心復(fù)合物和

14、PS捕光復(fù)合物（LHC）組成，其功能是利用吸收的光能或傳遞來的激發(fā)能在類囊體膜的基質(zhì)側(cè)將NADP+ 還原為NADPH。,2.光合磷酸化 （1）CF0-CF1ATP 合酶 （2）光合磷酸化的類型 （3）光合磷酸化的作用機(jī)制 （4）ATP 合成機(jī)制,葉綠體類囊體膜中進(jìn)行的電子傳遞和H跨膜轉(zhuǎn)移,（三）光合碳同化 1卡爾文循環(huán) （1）羧化階段 （2）還原階段 （3）RuBP再生階段,2. C4 途徑 存在于一些熱帶或亞熱帶起源的植物(C4 植物)中，如甘蔗、玉米、 高粱等。 該途徑固定CO2 的最初產(chǎn)物為草酰乙酸( 四碳化合物)，因而被稱為C4 途徑,3景天酸代謝(crassulacean acid

15、metabolism，CAM) 發(fā)現(xiàn)于生長在干旱地區(qū)的景天科及其他一些肉質(zhì)植物。 初級固碳產(chǎn)物是蘋果酸。,第三節(jié) 線粒體和葉綠體的半自主性及其起源,一、線粒體和葉綠體的半自主性 （一）線粒體和葉綠體DNA 絕大多數(shù)真核細(xì)胞的線粒體DNA (mitochondrial NA，mtDNA) 呈雙鏈環(huán)狀；線粒體需要通過頻繁的融合與分裂共享細(xì)胞內(nèi)的遺傳信息；被子植物的mtDNA呈現(xiàn)出豐富的分子多態(tài)性。 葉綠體DNA（cpDNA）或稱質(zhì)體DNA（ptDNA）亦呈環(huán)狀，分子大小依物種的不同呈現(xiàn)較大差異，在2002500kb之間； mtDNA 和cpDNA均以半保留方式進(jìn)行復(fù)制。其復(fù)制受細(xì)胞核的控制。復(fù)制所

16、需的DNA聚合酶、解旋酶等均由核基因組編碼。,（二）線粒體和葉綠體中的蛋白質(zhì) 線粒體和葉綠體基因組編碼的蛋白質(zhì)在線粒體和葉綠體的生命活動(dòng)中是重要和不可缺少的； 這些蛋白質(zhì)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以支撐線粒體和葉綠體的基本功能。,（三）線粒體、葉綠體基因組與細(xì)胞核的關(guān)系 線粒體和葉綠體的生命活動(dòng)受到細(xì)胞核以及它們自身基因組的雙重調(diào)控； 細(xì)胞核與線粒體、葉綠體之間在遺傳信息和基因表達(dá)調(diào)控等層次上建立的分子協(xié)作機(jī)制被稱為核質(zhì)互作,不同真核生物線粒體基因組（DNA）大小及其表達(dá)產(chǎn)物,二、線粒體和葉綠體的起源 （一）基因組與細(xì)菌基因組具有明顯的相似性 （二）具備獨(dú)立、完整的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng) （三）分裂方式與細(xì)菌相似 （四）膜的特性 （五）其他佐證,原始厭氧原核細(xì)胞 吞食需氧菌 細(xì)胞膜多重內(nèi)褶 原核復(fù)合生物 內(nèi)褶形成內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、核膜等 （共生關(guān)系） 被吞食的原核生物 演變?yōu)榧?xì)胞器 真核植物 細(xì)菌 線粒體 真核動(dòng)物 真核細(xì)胞 真菌 藍(lán)藻 葉綠體 某些原生生物,內(nèi)共生學(xué)說,思考題,一、基本概念 偶聯(lián)因子 氧化磷酸化 光合磷酸化 線粒體DNA 半自主性 二、簡答題與論述題 1、怎樣理解線粒體和葉綠體是細(xì)胞能量轉(zhuǎn)換的細(xì)胞器？ 2、線粒體和葉綠體在細(xì)胞內(nèi)呈現(xiàn)怎樣